深入理解Java内存模型（JMM）与并发

在多线程编程中，理解Java内存模型（Java Memory Model, JMM）至关重要。JMM定义了Java程序中变量（包括实例字段、静态字段和数组元素）如何在多线程环境中交互的规则。掌握这些规则，可以帮助开发者编写出正确且高效的并发程序。

什么是Java内存模型（JMM）

Java内存模型定义了线程对内存的访问方式。JMM规范了在多线程环境中，变量的读写操作是如何被一个线程可见的，以及如何控制这些操作的顺序。JMM的主要目标是解决可见性、原子性和有序性这三个核心问题。

可见性

可见性是指当一个线程修改了变量的值，其他线程是否可以立即看到这个修改。JMM通过volatile关键字、锁（synchronized）等机制保证变量的可见性。

原子性

原子性是指某些操作是不可分割的，不能被线程间的其他操作中断。典型的原子操作包括读取和写入基本数据类型变量、获取和释放锁等。

有序性

有序性是指在多线程环境中，指令重排序不会影响程序的正确性。JMM通过happens-before原则来保证操作的有序性。

happens-before原则

happens-before的概念是在多线程编程中非常重要的，它描述了操作之间的顺序关系。以下是happens-before规则的几种情况：

程序次序规则：在一个线程内，按照代码顺序，前面的操作happens-before于后面的操作。
监视器锁规则：对一个锁的解锁happens-before于后续对这个锁的加锁。
volatile变量规则：对一个volatile变量的写操作happens-before于后续对这个变量的读操作。
传递性：如果A happens-before B，且B happens-before C，那么A happens-before C。

代码示例

为了更好地理解JMM的概念，我们来看几个代码示例。

可见性示例

下面的代码演示了volatile关键字如何保证变量的可见性。

public class VisibilityDemo {private static volatile boolean flag = false;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {while (!flag) {// do nothing, just wait for the flag to be true}System.out.println("Flag is true!");});Thread t2 = new Thread(() -> {try {Thread.sleep(1000); // simulate some work} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}flag = true;System.out.println("Flag has been set to true!");});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

在这个示例中，flag变量被声明为volatile，这保证了当t2线程修改flag变量的值后，t1线程能够立即看到这个变化。

原子性示例

下面的代码演示了如何使用同步块来确保操作的原子性。

public class AtomicityDemo {private static int count = 0;public static synchronized void increment() {count++;}public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {increment();}});Thread t2 = new Thread(() -> {for (int i = 0; i < 1000; i++) {increment();}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println("Final count value: " + count);}
}

在这个示例中，我们使用synchronized关键字来确保increment方法的原子性，使得多个线程对count变量的操作是线程安全的。

有序性示例

下面的代码展示了如何通过synchronized块来保证操作的有序性。

public class OrderingDemo {private static boolean flag = false;private static int a = 0;public static void main(String[] args) throws InterruptedException {Thread t1 = new Thread(() -> {a = 1;flag = true;});Thread t2 = new Thread(() -> {if (flag) {System.out.println("a: " + a);}});t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();}
}

在这个示例中，由于t1线程对flag的写操作和t2线程对flag的读操作之间没有任何同步机制，可能会导致t2线程看到flag为true，但a的值仍然是0。这种情况可以通过使用synchronized块或volatile变量来避免。